CN106024966B - 一种基于多晶面Ir‑Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多晶面Ir‑Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器及其制备方法，属于半导体紫外光电探测技术领域。按紫外光线入射方向，从下至上依次为：石英片衬底、多晶面Ir‑Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜、通过磁控溅射方法制备的Au叉指电极。多晶面Ir‑Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的厚度为80～110nm；在该薄膜中，Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ir‑Pd纳米粒子体系中的Ir纳米粒子和Pd纳米粒子均为多晶面结构。制作多晶面Ir‑Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜材料，可以在Ir，Pd纳米粒子和TiO2三种材料优良性质的基础之上，通过调节掺杂Ir，Pd纳米粒子的量，更好的提升复合材料性能，从而提高器件在紫外探测领域的能力，使新型紫外探测器具有广阔的应用前景。

Description

一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测 器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体紫外光电探测技术领域，具体涉及一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器及其制备方法。
背景技术
随着人们对大量信息处理传输需求的不断提升，以及对光电子信息技术与光电子集成电路的不断研究，紫外光的研究再一次激发了人们的兴趣。在无机宽禁带半导体材料广泛使用以前，紫外探测多采用光电倍增管或硅基光电二极管器件，而这些器件具有价格昂贵、工作电压高、体积大、需要滤光设备等明显缺点。而如今在制作紫外探测器的无机材料中，TiO2具有价格低廉、良好的物理和化学稳定性、良好的光电特性等优点。但通过实验研究，人们发现用TiO2这种单一材料制作的紫外探测器件性能仍存在许多不足，比如光响应度偏低。于是，人们开始关注复合材料在紫外探测器制备中的实际应用。
以往人们常用单种金属纳米粒子进行掺杂。这种方法在提高器件性能方会有一定的效果，但并不足够显著。
发明内容
本发明目的是提供一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器及该探测器的制备方法：以石英片作为衬底，采用溶胶凝胶的成膜方法，以Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜作为感光层制备紫外光探测器。此方法简单易行，器件性能优良。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：按紫外光线入射方向，从下至上依次为：石英片衬底、多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜、通过磁控溅射方法制备的Au叉指电极。
其中，石英片衬底厚度为0.5～1.5mm，多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的厚度为80～110nm；在该薄膜中，Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ir-Pd纳米粒子体系中的Ir纳米粒子和Pd纳米粒子均为多晶面结构；Au叉指电极的厚度为100～150nm，Au叉指电极的指长度、指间距、指宽度分别为0.8～1.2mm、5～30μm、5～30μm。
本发明所述的一种多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器的制备方法，其步骤如下：
(1)衬底的清洁处理
将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10～15分钟，然后氮气吹干。
(2)多晶面Ir纳米粒子制备
在氮气保护下，将0.25～0.35mmol三氯化铱和1～3mmol醋酸钠加入到70～80mL丙二醇中，于150～180℃的油浴条件下剧烈搅拌回流1～2小时；冷却后，向混合溶液中加入40～60mL甲苯及40～60mL、0.5～1.5mmol/L的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶液作为反应的表面活性剂，在60～100℃水浴、100～150W超声条件下搅拌0.5～1.5小时；水浴超声搅拌结束后收集甲苯层，加压旋干；产物依次用甲醇、去离子水离心清洗3～5次，干燥后得到多晶面的Ir纳米粒子；
(3)多晶面Pd纳米粒子制备
在氮气的保护下，将20～30mL、0.8～1.2mmol/L的PdCl2溶液加入到40～60mL、0.5～1.5mmol/L的作为反应的表面活性剂的PVP溶液中，常温下搅拌30～50min后，再向混合溶液中快速注射5～15mL、10～20mmol/L的NaBH4溶液，注射时间控制在5s以内；在80～90℃水浴条件下继续搅拌1～3h后，得到含有Pd纳米粒子的溶液；最后依次用氯仿、乙醇溶液循环离心清洗2～4次，干燥后得到多晶面的Pd纳米粒子；
(4)多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的制备
将制备好的多晶面Ir纳米粒子和多晶面Pd纳米粒子，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005～0.002的比例掺入TiO2溶胶中，常温下搅拌3～6小时，然后静置6～12小时；将静置后的含Ir-Pd纳米粒子体系的TiO2溶胶涂在清洁处理后的石英片衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜，旋涂的转速为1500～3000转/分钟，旋涂的时间为20～30秒；完成后再在80～120℃条件下烘干10～15分钟，取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干步骤4～6次，以达到所需要的薄膜厚度；最后将薄膜连同石英片衬底在80～100℃条件下烘干10～15分钟，自然降温冷却后，最终在石英片衬底上得到多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜。
(5)基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的紫外探测器的制备
首先采用旋涂、光刻、显影等技术在多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面形成具有镂空叉指状窗口的光刻胶薄膜，然后采用磁控溅射技术制备金属电极，最后清洁薄膜表面，从而完成器件的制备。
其中步骤(4)中，TiO2溶胶是在氮气氛围保护条件下，将5～10mL钛酸异丙酯、 15～30mL2-甲氧基乙醇和1～5mL乙醇胺混合后于室温条件下搅拌1～2小时，分别于70～90℃下加热1～2小时，100～130℃下加热1～2小时；冷却至室温后，再向上述混合溶液中加入5～15mL甲醇，从而得到TiO2溶胶。
该方法优点在于，可实现在无需高温加热退火的条件下，直接低温烘干成膜，易于操作，成膜性好。
其中步骤(5)中，在制备好的多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂的转速为1500～2500转/分，旋涂的时间为15～30秒；然后在80～100℃下前烘10～20分钟，再选择与叉指电极结构互补的掩模板(即在叉指电极对应的位置为透光区域，而在其余区域为遮光区域)，对光刻胶进行曝光70～90秒，再经30～40秒显影后去除掉曝光区域的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1:1～2体积比混合而成)，最后在100～120℃下坚膜10～15分钟，从而在多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面得到与叉指电极结构相同的镂空光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面具有与需要制备的叉指电极相同的结构；叉指的长度为0.8～1.2mm，宽度为5～30μm，间距为5～30μm。
采用磁控溅射技术制备叉指电极。在磁控溅射真空室内，抽真空至5.0×10-3～7.0×10-3Pa，通入氩气，流量为20～30sccm(标准毫升/分钟)；调整真空室气压在0.5～1.0Pa；施加8～10V的偏压，选择合适的溅射功率(60～120W)和溅射时间(4～8分钟)，完成Au薄膜溅射。
将溅射好电极的石英片衬底放入丙酮中超声10～30秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层；洗去丙酮并吹干，器件制作完成。
当Ir-Pd纳米粒子体系掺入TiO2薄膜后，将和入射光产生等离子体共振效应，使光子被束缚在薄膜材料表面，提高器件的光响应。由于紫外光波长远大于Ir、Pd纳米粒子的直径，因此入射光线会在材料内部产生瑞利散射，增加薄膜内光程。同时，由于Ir、Pd纳米粒子的尺寸不同，因此会对波长范围更广的紫外光产生瑞利散射效应，从而更有效的提高光吸收。另外，Pd纳米粒子直径在5～15nm之间，由于其尺寸较小，量子尺寸效应明显，导致金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，因此可以提升光电流。同时，Ir纳米粒子具有较高的表面活性。该性能会促进器件内光生载流子的传输，提高载流子的平均寿命。因此在这种Ir-Pd纳米粒子体系下，器件的整体性能得以提高。
制作多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜材料，可以在Ir，Pd纳米粒子和TiO2三种材料优良性质的基础之上，通过调节掺杂Ir，Pd纳米粒子的量，更好 的提升复合材料性能，从而提高器件在紫外探测领域的能力，使新型紫外探测器具有广阔的应用前景。
附图说明
图1：本发明所涉及器件的结构示意图；
图2：本发明所涉及器件(Ir纳米粒子质量为0g，Pd纳米粒子质量为0g，即不含有Ir和Pd纳米粒子)的电流电压特性曲线。
图3：本发明所涉及器件(多晶面Ir纳米粒子质量为0.0035g，Pd纳米粒子质量为0.002g)的电流电压特性曲线。
图4：本发明所涉及器件(多晶面Ir纳米粒子质量为0.007g，Pd纳米粒子质量为0.004g)的电流电压特性曲线。
图5：本发明所涉及器件(多晶面Ir纳米粒子质量为0.014g，Pd纳米粒子质量为0.008g)的电流电压特性曲线。
如图1所示，波长为310nm紫外光4从石英片背面入射，照射到纯TiO2薄膜层或Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜层，产生光电流；各部件名称为：石英片衬底1，纯TiO2薄膜或Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜2，叉指金电极3。
如图2所示，是器件的电流-电压特性曲线。器件中Ir、Pd纳米粒子质量均为0g，即器件不含有Ir、Pd纳米粒子时，在6V偏压下，该器件的光电流为7.49μA，暗电流为6.13nA，光暗电流比为1.22×103。
如图3所示，是器件的电流-电压特性曲线。取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005添加纳米粒子。则器件中Ir纳米粒子质量为0.0035g，Pd纳米粒子质量为0.002g时，在6V偏压下，该器件的光电流为21.1μA，暗电流为2.3nA，光暗电流比为9.17×103。
如图4所示，是器件的电流-电压特性曲线。取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.001，Ti与Pd的摩尔比为1：0.001添加纳米粒子。则器件中Ir纳米粒子质量为0.007g，Pd纳米粒子质量为0.004g时，在6V偏压下，该器件的光电流为86.23μA，暗电流为2.11nA，光暗电流比为4.08×104。
如图5所示，是器件的电流-电压特性曲线。取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.002添加纳米粒子。则器件中Ir纳米粒子质量为0.014g，Pd纳米粒子质量为0.008g时，在6V偏压下，该器件的光电流为12.31μA，暗电流为0.37nA，光暗电流比为8.92×103。
具体实施方式
实施例1
将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，然后氮气吹干。
在氮气氛围保护中，向三颈烧瓶中分别加入5mL钛酸异丙酯，20mL 2-甲氧基乙醇和2mL乙醇胺。室温条件下搅拌1小时后，分别在80℃加热1小时，120℃加热1小时。冷却至室温后，向溶液中加入10mL甲醇，最终得到TiO2溶胶。
将配好的溶胶涂在清洁处理后的石英衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜。旋涂的转速3000转/分钟，时间20秒。完成后放入烘箱，90℃加热烘干10分钟。取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干的步骤5次，以达到所需要的薄膜厚度(100nm)。最后将薄膜连同石英衬底在90℃条件下烘干10分钟，自然降温冷却后，最终在石英衬底上得到纯TiO2薄膜。
在制备好的薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂转速2000转/分，时间20秒；在90℃下前烘10分钟后，选择与叉指电极结构互补的掩模板对光刻胶进行曝光80秒，再经35秒显影后去除掉曝光的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1:1体积比混合而成)，最后在120℃温度下坚膜15分钟，最终在TiO2薄膜表面得到具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的TiO2薄膜具有与叉指电极相同的结构；叉指的长度为1mm，宽度为15μm，间距为20μm。
采用磁控溅射技术制备金属电极。将带有薄膜、具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层的石英衬底放入磁控溅射真空室内。靶材安装完成后，抽真空至5.0×10-3Pa，通入氩气，流量为25sccm(标准毫升/分钟)；调整真空室气压在0.7Pa；施加8V偏压，溅射功率80W，溅射7分钟，完成Au薄膜溅射。
将溅射好的石英片放入适量丙酮中超声15秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层。洗去丙酮并吹干，器件制作完成。结构如图1所示。
不含有Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的器件制作完成后，对该器件进行光电特性测试。在暗室中测量器件的暗电流，如图2可知器件在6V偏压下的暗电流为6.13nA。测试光电流时，使用30W紫外光源和单色仪分出光强为120μW/cm2的310nm紫外光照射到器件上，测得6V偏压下的光电流为7.49μA，器件在6V时的光暗电流比为1.22×103。
实施例2
将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，然后氮气吹干。
在氮气氛围保护中，向三颈烧瓶中分别加入，5mL钛酸异丙酯，20mL 2-甲氧基乙醇和2mL乙醇胺。室温条件下搅拌1小时后，分别由80℃加热1小时，120℃加热1小时。冷却至室温后，向溶液中加入10mL甲醇，最终得到TiO2溶胶。
Ir纳米颗粒反应在氮气保护下进行。将0.28mmol的三氯化铱和2mmol的醋酸钠加到两口圆底烧瓶中，再加入80mL的丙二醇，于160℃的油浴锅中剧烈搅拌回流1小时。冷却后，向混合溶液中加入50mL甲苯及50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。在80℃的水浴下，用120W的超声条件继续搅拌1小时。水浴超声搅拌结束后，加压旋干。分别用甲醇，去离子水循环离心清洗三次。干燥后，得到含有多晶面的Ir纳米粒子。
Pd纳米粒子反应在氮气的保护下进行。在两口烧瓶中加入25mL浓度为0.9mmol/L的PdCl2溶液，而后加入50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。常温下搅拌30min后，再向混合溶液中快速注射10mL浓度为15mmol/L的NaBH4溶液，注射时间控制在5s以内。在80度水域条件下继续搅拌1h后，得到含有Pd纳米粒子的溶液。最后依次用氯仿，乙醇溶液循环离心清洗两次，干燥后得到多晶面的Pd纳米粒子。
取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005，在其中加入Ir纳米粒子0.0035g，Pd纳米粒子0.002g。室温下搅拌6小时，然后自然静置6小时。
将配好的Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2溶胶涂在清洁处理后的石英衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜。旋涂的转速3000转/分钟，时间20秒。完成后放入烘箱，90℃加热烘干10分钟。取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干的步骤5次，以达到所需要的薄膜厚度(100nm)。最后将薄膜连同石英衬底在90℃条件下烘干10分钟，自然降温冷却后，最终在石英衬底上得到Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜。
在制备好的薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂转速2000转/分，时间20秒；在90℃下前烘10分钟后，选择与叉指电极结构互补的掩模板对光刻胶进行曝光80秒，再经35秒显影后去除掉曝光的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1:1体积比混合而成)，最后在120℃温度下坚膜15分钟，最终在Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜表面得到具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的在Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜具有与叉指电极相同的结构；叉指的长度为1mm，宽度为15μm，间距为20μm。
采用磁控溅射技术制备金属电极。将带有薄膜、具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层的石英衬底放入磁控溅射真空室内。靶材安装完成后，抽真空至 5.0×10- 3Pa，通入氩气，流量为25sccm(标准毫升/分钟)；调整真空室气压在0.7Pa；施加8V偏压，溅射功率80W，溅射7分钟，完成Au薄膜溅射。
将溅射好的石英片放入适量丙酮中超声15秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层。洗去丙酮并吹干，器件制作完成。结构如图1所示。
含有Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2器件制作完成后，对该器件进行光电特性测试。在暗室中测量器件的暗电流，如图3，可知器件在6V偏压下的暗电流为2.3nA。测试光电流时，使用30W紫外光源和单色仪分出光强为120μW/cm2的310nm紫外光照射到器件上，测得6V偏压下的光电流为21.1μA，器件在6V时的光暗电流比为9.17×103。该器件的光电性能与无Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的器件相比有了的提升。
实施例3
将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，然后氮气吹干。
在氮气氛围保护中，向三颈烧瓶中分别加入，5mL钛酸异丙酯，20mL 2-甲氧基乙醇和2mL乙醇胺。室温条件下搅拌1小时后，分别由80℃加热1小时，120℃加热1小时。冷却至室温后，向溶液中加入10mL甲醇，最终得到TiO2溶胶。
Ir纳米颗粒反应在氮气保护下进行。将0.28mmol的三氯化铱和2mmol的醋酸钠加到两口圆底烧瓶中，再加入80mL的丙二醇，于160℃的油浴锅中剧烈搅拌回流1小时。冷却后，向混合溶液中加入50mL甲苯及50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。在80℃的水浴下，用120W的超声条件继续搅拌1小时。水浴超声搅拌结束后，加压旋干。分别用甲醇，去离子水循环离心清洗三次。干燥后，得到含有多晶面的Ir纳米粒子。
Pd纳米粒子反应在氮气的保护下进行。在两口烧瓶中加入25mL浓度为0.9mmol/L的PdCl2溶液，而后加入50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。常温下搅拌30min后，再向混合溶液中快速注射10mL浓度为15mmol/L的NaBH4溶液，注射时间控制在5s以内。在80度水域条件下继续搅拌1h后，得到含有Pd纳米粒子的溶液。最后依次用氯仿，乙醇溶液循环离心清洗两次，干燥后得到多晶面的Pd纳米粒子。
取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1:0.001，Ti与Pd的摩尔比为1:0.001，在其中加入Ir纳米粒子0.007g，Pd纳米粒子0.004g。室温下搅拌6小时，然后自然静置6小时。
将配好的Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2溶胶涂在清洁处理后的石英衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜。旋涂的转速3000转/分钟，时间20秒。完成后放入烘箱，90℃加热烘干10分钟。取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干的步骤5次，以达到所需要的薄膜厚度(100nm)。最后将薄膜连同石英衬底在90℃条件下烘干10分钟，自然降温冷却后，最终在石英衬底上得到Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜。
在制备好的薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂转速2000转/分，时间20秒；在90℃下前烘10分钟后，选择与叉指电极结构互补的掩模板对光刻胶进行曝光80秒，再经35秒显影后去除掉曝光的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1：1体积比混合而成)，最后在120℃温度下坚膜15分钟，最终在Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜表面得到具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜具有与叉指电极相同的结构；叉指的长度为1mm，宽度为15μm，间距为20μm。
采用磁控溅射技术制备金属电极。将带有薄膜、具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层的石英衬底放入磁控溅射真空室内。靶材安装完成后，抽真空至5.0×10-3Pa，通入氩气，流量为25sccm(标准毫升/分钟)；调整真空室气压在0.7Pa；施加8V偏压，溅射功率80W，溅射7分钟，完成Au薄膜溅射。
将溅射好的石英片放入适量丙酮中超声15秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层。洗去丙酮并吹干，器件制作完成。结构如图1所示。
含有Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2器件制作完成后，对该器件进行光电特性测试。在暗室中测量器件的暗电流，如图4，可知器件在6V偏压下的暗电流为2.11nA。测试光电流时，使用30W紫外光源和单色仪分出光强为120μW/cm2的310nm紫外光照射到器件上，测得6V偏压下的光电流为86.23μA，器件在6V时的光暗电流比为4.08×104。该器件的光电性能与无Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的器件相比有了大幅度的提升。
实施例4
将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，然后氮气吹干。
在氮气氛围保护中，向三颈烧瓶中分别加入，5mL钛酸异丙酯，20mL 2-甲氧基乙醇和2mL乙醇胺。室温条件下搅拌1小时后，分别由80℃加热1小时，120℃加热1小时。冷却至室温后，向溶液中加入10mL甲醇，最终得到TiO2溶胶。
Ir纳米颗粒反应在氮气保护下进行。将0.28mmol的三氯化铱和2mmol的醋酸 钠加到两口圆底烧瓶中，再加入80mL的丙二醇，于160℃的油浴锅中剧烈搅拌回流1小时。冷却后，向混合溶液中加入50mL甲苯及50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。在80℃的水浴下，用120W的超声条件继续搅拌1小时。水浴超声搅拌结束后，加压旋干。分别用甲醇，去离子水循环离心清洗三次。干燥后，得到含有多晶面的Ir纳米粒子。
Pd纳米粒子反应在氮气的保护下进行。在两口烧瓶中加入25mL浓度为0.9mmol/L的PdCl2溶液，而后加入50mL浓度为0.9mmol/L的PVP溶液作为反应的表面活性剂。常温下搅拌30min后，再向混合溶液中快速注射10mL浓度为15mmol/L的NaBH4溶液，注射时间控制在5s以内。在80度水域条件下继续搅拌1h后，得到含有Pd纳米粒子的溶液。最后依次用氯仿，乙醇溶液循环离心清洗两次，干燥后得到多晶面的Pd纳米粒子。
取TiO2溶胶10mL，按Ti与Ir的摩尔比为1:0.002，Ti与Pd的摩尔比为1:0.002，在其中加入Ir纳米粒子0.014g，Pd纳米粒子0.008g。室温下搅拌6小时，然后自然静置6小时。
将配好的Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2溶胶涂在清洁处理后的石英衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜。旋涂的转速3000转/分钟，时间20秒。完成后放入烘箱，90℃加热烘干10分钟。取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干的步骤5次，以达到所需要的薄膜厚度(100nm)。最后将薄膜连同石英衬底在90℃条件下烘干10分钟，自然降温冷却后，最终在石英衬底上得到Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜。
在制备好的薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂转速2000转/分，时间20秒；在90℃下前烘10分钟后，选择与叉指电极结构互补的掩模板对光刻胶进行曝光80秒，再经35秒显影后去除掉曝光的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1:1体积比混合而成)，最后在120℃温度下坚膜15分钟，最终在Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜表面得到具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的在Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2薄膜具有与叉指电极相同的结构；叉指的长度为1mm，宽度为15μm，间距为20μm。
采用磁控溅射技术制备金属电极。将带有薄膜、具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层的石英衬底放入磁控溅射真空室内。靶材安装完成后，抽真空至5.0×10-3Pa，通入氩气，流量为25sccm(标准毫升/分钟)；调整真空室气压在0.7Pa；施加8V偏压，溅射功率80W，溅射7分钟，完成Au薄膜溅射。
将溅射好的石英片放入适量丙酮中超声15秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层。洗去丙酮并吹干，器件制作完成。结构如图1所示。
含有Ir-Pd纳米粒子体系掺杂TiO2器件制作完成后，为对该器件进行光电特性测试。在暗室中测量器件的暗电流，如图5，可知器件在6V偏压下的暗电流为0.37nA。测试光电流时，使用30W紫外光源和单色仪分出光强为120μW/cm2的310nm紫外光照射到器件上，测得6V偏压下的光电流为12.31μA，器件在6V时的光暗电流比为8.92×103。
含有0.0035g Ir和0.002g Pd纳米粒子的器件，及与含有0.0014g Ir和0.008g Pd纳米粒子的器件，与不含Ir-Pd纳米粒子体系的器件相比，性能有所提升，但与含有0.007gIr和0.004g Pd纳米粒子的器件相比，性能均有所下降。由此可知，选择合适的多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂质量，可以得到性能更优的器件。

Claims (8)

1.一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：按紫外光线入射方向，从下至上依次为：石英片衬底、多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜、通过磁控溅射方法制备的Au叉指电极；多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的厚度为80～110nm；在该薄膜中，Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005～0.002，且Ir-Pd纳米粒子体系中的Ir纳米粒子和Pd纳米粒子均为多晶面结构；且该探测器由如下步骤所述方法制备得到，
(1)多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的制备
将多晶面Ir纳米粒子和多晶面Pd纳米粒子，按Ti与Ir的摩尔比为1：0.0005～0.002，Ti与Pd的摩尔比为1：0.0005～0.002的比例掺入TiO2溶胶中，常温下搅拌3～6小时，然后静置6～12小时；将静置后的含Ir-Pd纳米粒子体系的TiO2溶胶涂在清洁处理后的石英片衬底上，用旋涂的方法使其形成溶胶薄膜，旋涂的转速为1500～3000转/分钟，旋涂的时间为20～30秒；完成后再在80～120℃条件下烘干10～15分钟，取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干步骤4～6次，以达到所需要的薄膜厚度；最后将薄膜连同石英片衬底在80～100℃条件下烘干10～15分钟，自然降温冷却后，最终在石英片衬底上得到多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜；
(2)基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜的紫外探测器的制备
首先采用旋涂、光刻、显影技术在多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面形成具有镂空叉指状窗口的光刻胶薄膜，然后采用磁控溅射技术制备金属电极，最后清洁薄膜表面，从而完成器件的制备。
2.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：石英片衬底厚度为0.5～1.5mm，Au叉指电极的厚度为100～150nm，Au叉指电极的指长度、指间距、指宽度分别为0.8～1.2mm、5～30μm、5～30μm。
3.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：衬底的清洁处理是将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10～15分钟，然后氮气吹干。
4.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：是在氮气保护下，将0.25～0.35mmol三氯化铱和1～3mmol醋酸钠加入到70～80mL丙二醇中，于150～180℃的油浴条件下剧烈搅拌回流1～2小时；冷却后，向混合溶液中加入40～60mL甲苯及40～60mL、0.5～1.5mmol/L的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶液作为反应的表面活性剂，在60～100℃水浴、100～150W超声条件下搅拌0.5～1.5小时；水浴超声搅拌结束后收集甲苯层，加压旋干；产物依次用甲醇、去离子水离心清洗3～5次，干燥后得到多晶面的Ir纳米粒子。
5.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：是在氮气的保护下，将20～30mL、0.8～1.2mmol/L的PdCl2溶液加入到40～60mL、0.5～1.5mmol/L的作为反应的表面活性剂的PVP溶液中，常温下搅拌30～50min后，再向混合溶液中快速注射5～15mL、10～20mmol/L的NaBH4溶液，注射时间控制在5s以内；在80～90℃水浴条件下继续搅拌1～3h后，得到含有Pd纳米粒子的溶液；最后依次用氯仿、乙醇溶液循环离心清洗2～4次，干燥后得到多晶面的Pd纳米粒子。
6.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：是在氮气氛围保护条件下，将5～10mL钛酸异丙酯、15～30mL 2-甲氧基乙醇和1～5mL乙醇胺混合后于室温条件下搅拌1～2小时，分别于70～90℃下加热1～2小时，100～130℃下加热1～2小时得到混合溶液；冷却至室温后，再向上述混合溶液中加入5～15mL甲醇，从而得到TiO2溶胶。
7.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：是在制备好的多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面旋涂正型BP212光刻胶，旋涂的转速为1500～2500转/分，旋涂的时间为15～30秒；然后在80～100℃下前烘10～20分钟，再选择与叉指电极结构互补的掩模板，对光刻胶进行曝光70～90秒，再经30～40秒显影后去除掉曝光区域的光刻胶，最后在100～120℃下坚膜10～15分钟，从而在多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面得到与叉指电极结构相同的镂空光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜表面具有与需要制备的叉指电极相同的结构。
8.如权利要求1所述的一种基于多晶面Ir-Pd纳米粒子体系掺杂的TiO2薄膜紫外探测器，其特征在于：是在磁控溅射真空室内，抽真空至5.0×10-3～7.0×10-3Pa，通入氩气，流量为20～30sccm；调整真空室气压在0.5～1.0Pa；施加8～10V的偏压，溅射功率60～120W和溅射时间4～8分钟，完成Au薄膜溅射；再将溅射好电极的石英片衬底放入丙酮中超声10～30秒，未曝光的光刻胶连同其上层的金属层被剥离，从而留下叉指结构的金电极层；洗去丙酮并吹干，器件制作完成。
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